泵變流量系統(tǒng)在地鐵車站中的應(yīng)用

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摘　要:針對當(dāng)前空調(diào)節(jié)能技術(shù)的 發(fā)展 趨勢,對一次泵變流量系統(tǒng)在地鐵車站中的 應(yīng)用 進(jìn)行技術(shù) 經(jīng)濟(jì) 比較和控制策略 分析 ,提出了該系統(tǒng)在地鐵工程中應(yīng)用的必要性和系統(tǒng)設(shè)計的幾點建議。關(guān)鍵詞:地鐵;一次泵變流量系統(tǒng);控制策略;經(jīng)濟(jì)性;可靠性

  隨著國家大力倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型 社會 ,節(jié)能降耗將作為衡量一項工程的重要指標(biāo)。地鐵工程中列車運行能耗最大,其次就是通風(fēng)空調(diào)設(shè)備能耗,所以從通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式、運營模式等各方面進(jìn)行全面的節(jié)能設(shè)計,才能保證技術(shù)節(jié)能和運營管理節(jié)能。筆者在此僅對一次泵變流量系統(tǒng)(VPF)在地鐵車站節(jié)能設(shè)計的應(yīng)用進(jìn)行探討。隨著制冷機(jī)技術(shù)的不斷提高以及自控技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)的冷水機(jī)組可在一定范圍內(nèi)變流量運行,并保持水溫穩(wěn)定,使冷水機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)流量隨著末端流量的變化而變化,對機(jī)組能耗 影響 不大,同時變頻器價格的下降,變流量技術(shù)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)大大提高, 目前 該系統(tǒng)在地面建筑中應(yīng)用越來越廣,但在國內(nèi)地鐵工程中尚無實際應(yīng)用,所以對其在地鐵車站中應(yīng)用進(jìn)行 研究 ,提出了該系統(tǒng)在地鐵工程中應(yīng)用的必要性和系統(tǒng)設(shè)計的幾點建議。 1　一次泵變流量系統(tǒng)原理及組成    一次泵變流量空調(diào)水系統(tǒng)就是通過調(diào)節(jié)二通閥改變流經(jīng)末端設(shè)備的冷水流量以適應(yīng)末端用戶空調(diào)負(fù)荷的變化,同時采用變頻冷凍水泵,使空調(diào)系統(tǒng)的總循環(huán)冷水量與末端的需求量相吻合,通過制冷機(jī)蒸發(fā)器的水流量確保在安全流量范圍內(nèi)變化,維持制冷機(jī)蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力的相對穩(wěn)定,保證冷水機(jī)組能效比相對變化不大。隨著制冷機(jī)技術(shù)的不斷提高以及自控技術(shù)的發(fā)展,變流量技術(shù)的可靠性已經(jīng)大大提高,同時由于水泵的功率與流量的三次方成正比,減少系統(tǒng)的水流量可以大大的降低水泵的能耗,采用變頻水泵降低了水泵機(jī)組全年能耗費用,不但冷凍水泵節(jié)能,同時減少冷水機(jī)組和冷卻水泵的運行時數(shù),降低運行費用,對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗、減少運行成本具有較大的意義。    某地鐵車站空調(diào)水系統(tǒng),設(shè)計采用2臺同容量可變流量螺桿式冷水機(jī)組、2臺冷凍水泵、2臺冷卻水泵、2臺冷卻塔,1臺分水器、1臺集水器,根據(jù)公共區(qū)和設(shè)備管理用房區(qū)負(fù)荷特點分為3個供水回路,冷凍冷卻水環(huán)路分別設(shè)置綜合水處理儀,空調(diào)冷凍水溫度:供水7℃,回水12℃,冷卻水溫度:供水32℃,回水37℃。分、集水器之間設(shè)置旁通調(diào)節(jié)閥,根據(jù)回水流量傳感器控制旁通調(diào)節(jié)閥的開度;冷水機(jī)組冷凍水出水管設(shè)電動調(diào)節(jié)閥,并設(shè)供回水壓差傳感器;末端空調(diào)器設(shè)置電動二通閥,最遠(yuǎn)不利環(huán)路設(shè)置壓差傳感器;冷凍水泵設(shè)置變頻器,由最遠(yuǎn)不利環(huán)路壓差控制,冷凍水泵與機(jī)組不要求一一對應(yīng)。冷卻水側(cè)仍然采用定流量設(shè)計,冷卻塔采用變頻風(fēng)機(jī),根據(jù)冷卻水溫變頻運行。整套冷水系統(tǒng)設(shè)置群控系統(tǒng),并通過通用接口與BAS系統(tǒng)通訊,其組成及工作原理如圖1所示。2　一次泵變流量系統(tǒng)控制策略    一次泵變流量系統(tǒng)的控制策略是關(guān)鍵,控制系統(tǒng)的成功直接關(guān)系到節(jié)能效果,否則沒有實際的節(jié)能意義。其通過調(diào)節(jié)末端二通閥改變流經(jīng)末端設(shè)備的冷凍水流量以適應(yīng)末端用戶空調(diào)負(fù)荷的變化,同時根據(jù)負(fù)荷的變化,通過變頻調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速,使系統(tǒng)循環(huán)水量維持在剛好滿足負(fù)荷需求的水平,保證負(fù)荷側(cè)(包括最不利點)獲得足夠的循環(huán)壓差并盡可能降至最低,實現(xiàn)降低水泵運行能耗,從而達(dá)到系統(tǒng)的節(jié)能。    本設(shè)計選用2臺變頻冷凍水泵,冷凍水系統(tǒng)為并聯(lián)管路,水泵變頻,均需保持水流量范圍在30%~120%之間,通過群控系統(tǒng)實現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能運行。    1)測量最不利環(huán)路末端的壓差,與設(shè)定壓差比較,采用PID運算策略,調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速滿足系統(tǒng)流量:當(dāng)壓差低于設(shè)定壓差時,增高水泵轉(zhuǎn)速(上限為100%額定轉(zhuǎn)速);當(dāng)壓差高于設(shè)定壓差時,降低水泵轉(zhuǎn)速(下限為50%額定轉(zhuǎn)速)。    2)根據(jù)負(fù)荷情況,控制系統(tǒng)自動判斷開啟冷水機(jī)組臺數(shù)與調(diào)節(jié)冷機(jī)運行負(fù)載,同時也控制對應(yīng)的冷凍、冷卻水泵及冷卻塔。    3)當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷持續(xù)降低,冷凍水流量已不能低于最低限,則通過調(diào)節(jié)旁通閥,滿足負(fù)荷端流量,保持系統(tǒng)壓差穩(wěn)定。監(jiān)測回水流量,結(jié)合運行機(jī)組臺數(shù),并綜合冷凍水總管供回水壓差,控制旁通閥開度,保證冷凍水流量不低于相應(yīng)總流量的50%。如單臺機(jī)組運行時,應(yīng)保證水流量不低于單臺機(jī)組流量的50%。此時冷水機(jī)組根據(jù)出水溫度已自行調(diào)節(jié)負(fù)荷百分比,以保證出水溫度恒定。    4)群控系統(tǒng)實現(xiàn)變頻水泵系統(tǒng)與冷機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自適應(yīng),以滿足冷凍水出水溫度。當(dāng)加機(jī)時,機(jī)組命令相應(yīng)的水泵啟動,水泵先工頻工作,再根據(jù)壓差調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。同時,兩臺機(jī)組在群控系統(tǒng)管理下同時穩(wěn)步加載,直至滿負(fù)荷限定值。水泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)能滿足使系統(tǒng)流量略大于負(fù)荷端要求,使機(jī)組略小于滿負(fù)荷限定值。當(dāng)減機(jī)時,同理,相應(yīng)水泵接收停止信號,剩余水泵先工頻工作,再根據(jù)壓差調(diào)節(jié)水泵頻率,最低限為15%。同時剩余冷水機(jī)組根據(jù)出水溫度自動調(diào)節(jié)負(fù)荷百分比。    5)冷卻水泵一直保持工頻運行,根據(jù)冷水機(jī)組的啟停運行相對應(yīng)的冷卻水泵。冷卻塔風(fēng)機(jī)的變頻運行根據(jù)冷卻水回水溫度控制,保證冷卻回水溫度的穩(wěn)定。    6)當(dāng)本系統(tǒng)中變頻器無法保證最小流量,或由程序判斷出流量計出現(xiàn)故障,水泵變頻邏輯將自動轉(zhuǎn)為工頻邏輯工作,由供回水總管壓差來控制旁通閥開度,保證冷凍水系統(tǒng)穩(wěn)定。   3　一次泵變流量系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析    該地鐵站通風(fēng)空調(diào)按照屏蔽門系統(tǒng)設(shè)計,所以車站公共區(qū)與設(shè)備管理用房區(qū)負(fù)荷約各占總負(fù)荷的63%和37%,公共區(qū)負(fù)荷呈現(xiàn)早、晚兩個高峰分布特點,且地鐵運營結(jié)束后公共區(qū)空調(diào)末端停機(jī),而設(shè)備區(qū)負(fù)荷白天變化較小,但地鐵運營結(jié)束后夜間管理用房負(fù)荷下降,只剩余信號、通信、變電所等部分負(fù)荷,大約占車站總負(fù)荷的約為22%。一般屏蔽門系統(tǒng)車站空調(diào)水系統(tǒng)選用兩臺同容量的螺桿式制冷機(jī)為公共區(qū)和設(shè)備管理用房區(qū)提供冷量,所以夜間系統(tǒng)負(fù)荷占單機(jī)容量的比例約為40%,雖然螺桿式制冷機(jī)冷量調(diào)節(jié)范圍可達(dá)15%~100%,可見車站制冷空調(diào)水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)具有節(jié)能優(yōu)勢。   對該站采用一次泵定流量系統(tǒng)和一次泵變流量系統(tǒng)初投資和運營費用比較如表1和表2所示。其中電費按0.79元/KWh 計算 。從以上兩表可知初投資一次泵變流量系統(tǒng)比一次泵定流量系統(tǒng)多164000元,而年運營費用前者比后者少40470.4元,投資回收期為4.05年,所以一次泵定流量系統(tǒng)的運營節(jié)能性是比較明顯的,在地鐵車站空調(diào)水系統(tǒng)中 應(yīng)用 是十分必要的。   4　一次泵變流量系統(tǒng)設(shè)備可靠性 分析     通過對冷水機(jī)組、水泵、變頻器等相關(guān)設(shè)備調(diào)查 研究 , 目前 多數(shù)廠商均可生產(chǎn)可變流量冷水機(jī)組,部分廠商冷水機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)配置具備蒸發(fā)器水流量變化功能,流量變化范圍一般在30%~120%之間,機(jī)組流量變化范圍越大,越有利于冷水機(jī)組加、減機(jī)控制,節(jié)能效果越明顯;流量變化率每分鐘30%~50%,機(jī)組允許流量變化率越大,則冷水機(jī)組變流量時出水溫度波動越小;另外根據(jù)相關(guān) 文獻(xiàn) 研究表明機(jī)組在50%部分負(fù)荷以上變流量運行時,其COP變化最小,能效比與定流量運行相比減小不到5%,根據(jù)該屏蔽門系統(tǒng)地鐵工程負(fù)荷特點,一般選用2臺冷水機(jī)組并聯(lián)運行,這樣每臺機(jī)組運行權(quán)重通常保持在50%以上。所以設(shè)計采用2臺可變流量螺桿式冷水機(jī)組并聯(lián)運行,流量變化范圍在50%~100%之間,流量變化率每分鐘30%~50%,既保證機(jī)組運行高效,又能保證蒸發(fā)器運行穩(wěn)定。    另外,變頻器技術(shù)較成熟,目前價格下降明顯,具備系統(tǒng)需要的使用條件。一次泵變流量系統(tǒng)冷凍水泵數(shù)量可以與冷水機(jī)組數(shù)量不同,因為二者啟停相互獨立,水泵由最不利環(huán)路的末端壓差控制,而冷水機(jī)組根據(jù)負(fù)荷側(cè)冷量需求利用輸入電流控制?？紤]頻率過低時水泵電機(jī)散熱不暢易燒電機(jī),水泵頻率變化范圍設(shè)定為15Hz~50Hz內(nèi)變化,且該范圍內(nèi)水泵效率變化相對較小,仍選用2臺冷凍水泵。因此,從設(shè)備技術(shù)性方面可知,一次泵變流量系統(tǒng)完全具備在地鐵車站應(yīng)用的可靠性。    通過對該系統(tǒng)、設(shè)備、控制策略研究及技術(shù) 經(jīng)濟(jì) 比較。且該系統(tǒng)對土建方案不造成 影響 ,所以選擇該站按一次泵變流量系統(tǒng)設(shè)計,通過該站的設(shè)計、施工及運營積累 總結(jié) 成功經(jīng)驗,若節(jié)能效果能到設(shè)計的目標(biāo)值,可在全線其它車站增設(shè)變頻器及控制模塊,均改造為一次泵變流量系統(tǒng),實現(xiàn)全線空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能目的,也為今后地鐵工程中應(yīng)用該系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。   5　結(jié)論    (1)一次泵變流量系統(tǒng)在地鐵車站空調(diào)水系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)性是成熟的,經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性是隨著控制系統(tǒng)的 發(fā)展 越來越明顯。    (2)可變流量冷水機(jī)組的選擇要保證系統(tǒng)可靠性前提下,盡量使冷水機(jī)組COP下降相對較小。    (3)最不利環(huán)路末端壓差確定要準(zhǔn)確,這就要求空調(diào)水系統(tǒng)水力計算準(zhǔn)確,才能有效控制冷凍水泵變頻運行。    (4)旁通管按照冷量最大冷水機(jī)組的最小許可流量計算確定,并應(yīng)選擇精度高、調(diào)節(jié)性能好的閥門。    (5)先進(jìn)的群控系統(tǒng)才能準(zhǔn)確有效地控制空調(diào)水系統(tǒng)各設(shè)備的運行模式,使系統(tǒng)運行最佳化,實現(xiàn)真正的技術(shù)節(jié)能和運行管理節(jié)能。    參考 文獻(xiàn):   [1]全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施節(jié)能專篇———暖通空調(diào)·動力. 中國 計劃出版社,2007.   [2]施敏琪.冷水機(jī)組蒸發(fā)側(cè)定流量與變流量的設(shè)計探討.暖通空調(diào),2006(2).   [3]GB50189-2005,公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).中國建筑 工業(yè) 出版社.   [4]GB50157-2003,地鐵設(shè)計規(guī)范.中國計劃出版社.